Spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle - Functional near-infrared spectroscopy
La spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge ( fNIRS ) est une technique de surveillance optique du cerveau qui utilise la spectroscopie proche infrarouge à des fins de neuroimagerie fonctionnelle . À l'aide de fNIRS, l'activité cérébrale est mesurée en utilisant la lumière infrarouge proche pour estimer l' activité hémodynamique corticale qui se produit en réponse à l'activité neuronale. Avec l' EEG , la fNIRS est l'une des techniques de neuroimagerie non invasive les plus courantes pouvant être utilisée dans des contextes portables. Le signal est souvent comparé au signal BOLD mesuré par IRMf et est capable de mesurer les changements de concentration d'oxy- et de désoxyhémoglobine, mais ne peut mesurer qu'à partir de régions proches de la surface corticale. fNIRS peut également être appelé Topographie Optique (OT) et est parfois simplement appelé NIRS.
La description
La fNIRS estime la concentration d'hémoglobine à partir des changements d'absorption de la lumière proche infrarouge. Lorsque la lumière se déplace ou se propage à travers la tête, elle est alternativement diffusée ou absorbée par le tissu à travers lequel elle se déplace. Étant donné que l'hémoglobine est un absorbeur important de lumière proche infrarouge, les modifications de la lumière absorbée peuvent être utilisées pour mesurer de manière fiable les modifications de la concentration en hémoglobine. Différentes techniques fNIRS peuvent également utiliser la manière dont la lumière se propage pour estimer le volume sanguin et l'oxygénation. La technique est sûre, non invasive et peut être utilisée avec d'autres modalités d'imagerie.
Le fNIRS est une méthode d'imagerie non invasive impliquant la quantification de la concentration de chromophores résolue à partir de la mesure de l' atténuation de la lumière proche infrarouge (NIR) ou des changements temporels ou phasiques. La technique tire parti de la fenêtre optique dans laquelle (a) la peau, les tissus et les os sont pour la plupart transparents à la lumière NIR (intervalle spectral de 700 à 900 nm) et (b) l' hémoglobine (Hb) et l'hémoglobine désoxygénée (désoxy-Hb) sont de puissants absorbeurs de lumière.
Il existe six façons différentes pour la lumière infrarouge d'interagir avec le tissu cérébral : transmission directe, transmission diffuse, réflexion spéculaire, réflexion diffuse, diffusion et absorption. La fNIRS se concentre principalement sur l'absorption : les différences dans les spectres d'absorption de la désoxy-Hb et de l'oxy-Hb permettent de mesurer les changements relatifs de la concentration en hémoglobine grâce à l'utilisation de l'atténuation de la lumière à plusieurs longueurs d'onde . Deux ou plusieurs longueurs d'onde sont sélectionnées, avec une longueur d'onde au-dessus et une en dessous du point isobestique de 810 nm, auquel la désoxy-Hb et l'oxy-Hb ont des coefficients d' absorption identiques . En utilisant la loi de Beer-Lambert modifiée (mBLL), les changements relatifs de concentration peuvent être calculés en fonction de la longueur totale du trajet des photons.
En règle générale, l'émetteur de lumière et le détecteur sont placés de manière ipsilatérale (chaque paire émetteur/détecteur du même côté) sur le crâne du sujet, de sorte que les mesures enregistrées sont dues à la lumière rétrodiffusée (réfléchie) suivant des voies elliptiques. Le fNIRS est le plus sensible aux changements hémodynamiques qui se produisent au plus près du cuir chevelu et ces artefacts superficiels sont souvent traités à l'aide de détecteurs de lumière supplémentaires situés plus près de la source lumineuse (détecteurs à courte séparation).
Loi Beer-Lambert modifiée
Les changements d'intensité lumineuse peuvent être liés à des changements de concentrations relatives d'hémoglobine à travers la loi de Beer-Lambert modifiée (mBLL). La loi lambert de la bière traite de la concentration en hémoglobine. Cette technique mesure également les changements relatifs de l'atténuation de la lumière ainsi que l'utilisation de mBLL pour quantifier les changements de concentration d'hémoglobine.
| Abréviations de base pour la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS)
BFi = indice de flux sanguin CBF = débit sanguin cérébral CBV = volume sanguin cérébral CMRO 2 = taux métabolique d'oxygène CW= onde continue DCS = spectroscopie à corrélation diffuse FD = domaine fréquentiel Hb, HbR = hémoglobine désoxygénée HbO, HbO 2 = hémoglobine oxygénée HbT = concentration totale d'hémoglobine HGB = hémoglobine sanguine SaO 2 = saturation artérielle SO 2 = saturation en hémoglobine SvO 2 = saturation veineuse TD=domaine temporel |
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Histoire
T'ES NUL
En 1977, Jöbsis a rapporté que la transparence des tissus cérébraux à la lumière NIR permettait une méthode non invasive et continue de saturation en oxygène des tissus en utilisant la transillumination . La transillumination (diffusion vers l'avant) était d'une utilité limitée chez les adultes en raison de l'atténuation de la lumière et a été rapidement remplacée par des techniques basées sur le mode de réflectance, ce qui a entraîné le développement rapide de systèmes NIRS. Puis, dès 1985, les premières études sur l'oxygénation cérébrale sont menées par M. Ferrari. Plus tard, en 1989, après avoir travaillé avec David Delpy à l'University College de Londres, Hamamatsu a développé le premier système NIRS commercial : NIR-1000 Cerebral Oxygenation Monitor. Les méthodes NIRS ont été initialement utilisées pour l'oxymétrie cérébrale dans les années 1990. En 1993, quatre publications de Chance et al. PNAS , Hoshi & Tamura J Appl Physiol , Kato et al. JCBFM, Villringer et al Neuros. Lett. a démontré la faisabilité de la fNIRS chez l'homme adulte. Les techniques NIRS ont été encore développées par les travaux de Randall Barbour, Britton Chance , Arno Villringer, M. Cope, DT Delpy, Enrico Gratton et d'autres. Actuellement, des fNIRS portables sont en cours de développement.
Japon
Pendant ce temps, au milieu des années 80, des chercheurs japonais du laboratoire de recherche central d'Hitachi Ltd ont entrepris de construire un système de surveillance du cerveau basé sur le NIRS utilisant une impulsion de rayons de 70 picosecondes. Cet effort a vu le jour lorsque l'équipe, avec son principal expert, le Dr Hideaki Koizumi (小泉 英明), a organisé un symposium ouvert pour annoncer le principe de la « topographie optique » en janvier 1995. En fait, le terme « topographie optique » dérive du concept d'utilisation de la lumière sur "la cartographie bidimensionnelle combinée à des informations unidimensionnelles", ou la topographie . L'idée avait été mise en œuvre avec succès lors du lancement de leur premier appareil fNIRS (ou de topographie optique, comme ils l'appellent) basé sur le domaine fréquentiel en 2001 : Hitachi ETG-100. Plus tard, Harumi Oishi (大石 晴美), une future doctorante à l'Université de Nagoya, a publié sa thèse de doctorat en 2003 sur le sujet des « modèles d'activation corticale des apprenants des langues mesurés par ETG-100 » sous la direction du professeur Toru Kinoshita (木下 微)—présentant une nouvelle perspective sur l'utilisation de fNIRS. Depuis, la société fait progresser la série ETG.
Techniques spectroscopiques
Actuellement, il existe trois modalités de spectroscopie fNIR :
1. Vague continue
2. Domaine fréquentiel
3. Domaine temporel
Onde continue
Le système à ondes continues (CW) utilise des sources lumineuses à fréquence et amplitude constantes. En fait, pour mesurer les changements absolus de concentration en HbO avec le mBLL, nous devons connaître la longueur du trajet des photons. Cependant, CW-fNIRS ne fournit aucune connaissance de la longueur de trajet des photons, de sorte que les changements de concentration en HbO sont relatifs à une longueur de trajet inconnue. De nombreux systèmes commerciaux CW-fNIRS utilisent des estimations de la longueur du trajet des photons dérivées de simulations Monte-Carlo informatisées et de modèles physiques, pour approximer la quantification absolue des concentrations d'hémoglobine.
![{\displaystyle {\text{OD}}=\operatorname {log} _{10}(I_{0}/I)=\epsilon \cdot [X]\cdot l\cdot {\text{DPF}}+G }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/44f01f0fbdb7d334f37b04b12384ce4df25e402d)
Où est la densité optique ou l'atténuation, est l'intensité lumineuse émise, est l'intensité lumineuse mesurée, est le coefficient d'atténuation , est la concentration chromophomore, est la distance entre la source et le détecteur et est le facteur de longueur de trajet différentiel, et est un facteur géométrique associé à diffusion.
![[X]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fadb3aef0836cb1d004479f470703a45972bf8fe)
Lorsque les coefficients d'atténuation sont connus, l'affaiblissement par diffusion est supposé constant et les mesures sont traitées de manière différentielle dans le temps, l'équation se réduit à :
![{\displaystyle \Delta [X]=\Delta {\frac {\text{OD}}{\epsilon d}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a02d0a004d3011f7a93471acb7b21853a83fb96c)
Où est la longueur totale corrigée du trajet des photons.
En utilisant un système à double longueur d'onde, les mesures de HbO 2 et Hb peuvent être résolues à partir de l'équation matricielle :
![{\displaystyle {\begin{pmatrix}\Delta {\text{OD}}_{\lambda _{1}}\\\Delta {\text{OD}}_{\lambda _{2}}\end{ pmatrix}}={\begin{pmatrix}\epsilon _{\lambda _{1}}^{\text{Hb}}d&\epsilon _{\lambda _{1}}^{{\text{HbO}} _{2}}d\\\epsilon _{\lambda _{2}}^{\text{Hb}}d&\epsilon _{\lambda _{2}}^{{\text{HbO}}_{ 2}}d\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\Delta [X]^{\text{Hb}}\\\Delta [X]^{{\text{HbO}}_{2}} \end{pmatrix}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/233ca031c5dfffcfd7ef9b68b4a2524e79fe8e50)
En raison de leur simplicité et de leur rentabilité, le CW-fNIRS est de loin la forme la plus courante de NIRS fonctionnel car il est le moins cher à fabriquer, applicable avec plus de canaux et assure une résolution temporelle élevée. Cependant, il ne fait pas la distinction entre les changements d'absorption et de diffusion, et ne peut pas mesurer les valeurs absolues d'absorption: Ce qui signifie qu'il est seulement sensible au rapport changement de concentration HbO.
Pourtant, la simplicité et la rentabilité des dispositifs à base de CW s'avèrent être les plus favorables pour un certain nombre d'applications cliniques : soins néonatals, systèmes de surveillance des patients, tomographie optique diffuse, etc. De plus, grâce à sa portabilité, des systèmes CW sans fil ont été développés, permettant de surveiller les individus dans des environnements ambulatoires, cliniques et sportifs.
Domaine fréquentiel
Le système de domaine de fréquence (FD) comprend des sources laser NIR qui fournissent une sinusoïde modulée en amplitude à des fréquences proches de 100 MHz. Le FD-fNIRS mesure l'atténuation, le déphasage et la longueur de trajet moyenne de la lumière à travers le tissu. Multi-Distance, qui fait partie du FD-fNIRS, est insensible aux différences de couleur de peau, donnant des résultats constants quelle que soit la variation du sujet.
Les changements dans l'amplitude et la phase du signal rétrodiffusé fournissent une mesure directe des coefficients d'absorption et de diffusion du tissu, évitant ainsi le besoin d'informations sur la longueur du trajet des photons ; et à partir des coefficients, nous déterminons les changements dans la concentration des paramètres hémodynamiques.
En raison du besoin de lasers modulés ainsi que de mesures phasiques, les dispositifs basés sur le système FD sont techniquement plus complexes (donc plus coûteux et beaucoup moins portables) que ceux basés sur CW. Cependant, le système est capable de fournir des concentrations absolues de HbO et HbR.
Dans le domaine temporel
Le système Time Domain (TD) introduit une courte impulsion NIR avec une longueur d'impulsion généralement de l'ordre de la picoseconde — environ 70 ps. Grâce aux mesures du temps de vol, la longueur du trajet des photons peut être directement observée en divisant le temps résolu par la vitesse de la lumière. Des informations sur les changements hémodynamiques peuvent être trouvées dans l'atténuation, la décroissance et le profil temporel du signal rétrodiffusé. Pour cette technologie de comptage de photons est introduite, qui compte 1 photon pour 100 impulsions pour maintenir la linéarité. Le TD-fNIRS a un taux d'échantillonnage lent ainsi qu'un nombre limité de longueurs d'onde. En raison de la nécessité d'un dispositif de comptage de photons, d'une détection à grande vitesse et d'émetteurs à grande vitesse, les méthodes à résolution temporelle sont les plus coûteuses et les plus compliquées techniquement.
Les appareils basés sur TD sont totalement immobiles, encombrants, les plus difficiles à fabriquer, les plus coûteux, les plus encombrants et les plus lourds. Même ainsi, ils ont la sensibilité à la profondeur la plus élevée et sont capables de présenter les valeurs les plus précises de la concentration d'hémoglobine et de l'oxygénation de base.
Spectroscopie de corrélation diffuse
Les systèmes de spectroscopie à corrélation diffuse (DCS) utilisent des gradients localisés d'atténuation de la lumière pour déterminer les rapports absolus d'oxy-Hb et de désoxy-Hb. En utilisant une mesure spatiale, les systèmes DCS n'ont pas besoin de connaître la longueur du trajet des photons pour effectuer ce calcul, mais les concentrations mesurées d'oxy-Hb et de désoxy-Hb sont relatives au coefficient de diffusion inconnu dans le milieu. Cette technique est le plus souvent utilisée dans les systèmes d'oxymétrie cérébrale qui rapportent un indice d'oxygénation tissulaire (TOI) ou un indice de saturation tissulaire (TSI).
Conception du système
Au moins deux modèles fNIRS open source sont disponibles en ligne :
Logiciel d'analyse de données
HOMER3
HOMER3 permet aux utilisateurs d'obtenir des estimations et des cartes d'activation cérébrale. Il s'agit d'un ensemble de scripts matlab utilisés pour analyser les données fNIRS. Cet ensemble de scripts a évolué depuis le début des années 1990, d'abord sous le nom de boîte à outils Photon Migration Imaging, puis HOMER1 et HOMER2, et maintenant HOMER3.
Boîte à outils NIRS
C'est le plus récent. Cette boîte à outils est un ensemble d'outils basés sur Matlab pour l'analyse de la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge (fNIRS). Cette boîte à outils définit l'espace de noms +nirs et comprend une série d'outils pour le traitement du signal, l'affichage et les statistiques des données fNIRS. Cette boîte à outils est construite autour d'un framework orienté objet de classes et d'espaces de noms Matlab.
Visionneuse d'atlas
AtlasViewer permet de visualiser les données fNIRS sur un modèle de cerveau. De plus, il permet également à l'utilisateur de concevoir des sondes qui peuvent éventuellement être placées sur un sujet.
Application
Interface cerveau-ordinateur
Le fNIRS a été mis en œuvre avec succès en tant que signal de contrôle pour les systèmes d' interface cerveau-ordinateur .
Études d'hypoxie et d'altitude
Avec notre besoin constant d'oxygène, notre corps a développé de multiples mécanismes qui détectent les niveaux d'oxygène, qui à leur tour peuvent activer des réponses appropriées pour contrer l'hypoxie et générer un apport d'oxygène plus élevé. De plus, la compréhension du mécanisme physiologique sous-jacent à la réponse corporelle à la privation d'oxygène est d'une importance majeure et les dispositifs NIRS se sont révélés être un excellent outil dans ce domaine de recherche.
Cartographie du cerveau
Connectivité fonctionnelle
Les mesures fNIRS peuvent être utilisées pour calculer la connectivité fonctionnelle . Les mesures fNIRS multicanaux créent une carte topographique de l'activation neurale, grâce à laquelle la corrélation temporelle entre des événements spatialement séparés peut être analysée. La connectivité fonctionnelle est généralement évaluée en termes de corrélations entre les réponses hémodynamiques de régions d'intérêt (ROI) spatialement distinctes. Dans les études sur le cerveau, les mesures de connectivité fonctionnelle sont couramment prises pour les données des patients à l'état de repos, ainsi que les données enregistrées sur des paradigmes de stimulus. Le faible coût, la portabilité et la haute résolution temporelle de la fNIRS, par rapport à l' IRMf , se sont avérés très avantageux dans les études de cette nature.
Oxymétrie cérébrale
La surveillance NIRS est utile à plusieurs égards. Les nourrissons prématurés peuvent être surveillés en réduisant l'hypoxie et l'hyperoxie cérébrales avec différents modèles d'activités. C'est une aide efficace dans la circulation extracorporelle, est fortement considérée pour améliorer les résultats des patients et réduire les coûts et les séjours prolongés.
Il n'y a pas de résultats concluants pour l'utilisation de la NIRS chez les patients ayant subi un traumatisme crânien, il a donc été conclu qu'elle devrait rester un outil de recherche.
Tomographie optique diffuse
La tomographie optique diffuse est la version 3D de l'imagerie optique diffuse. Les images optiques diffuses sont obtenues à l'aide de méthodes NIRS ou basées sur la fluorescence. Ces images peuvent être utilisées pour développer un modèle volumétrique 3D connu sous le nom de tomographie optique diffuse. [1]
Bouchon fNIRS
Les emplacements des électrodes fNIRS peuvent être définis à l'aide de diverses dispositions, y compris les noms et les emplacements spécifiés par le système international 10-20 ainsi que d'autres dispositions spécifiquement optimisées pour maintenir une distance constante de 30 mm entre chaque emplacement. En plus des positions standard des électrodes, des canaux de séparation courts peuvent être ajoutés. Des canaux de séparation courts permettent la mesure des signaux du cuir chevelu. Puisque les canaux de séparation courts mesurent le signal provenant du cuir chevelu, ils permettent l'élimination du signal des couches superficielles. Cela laisse derrière lui la réponse cérébrale réelle. Les détecteurs à canaux de séparation courts sont généralement placés à 8 mm d'une source. Ils n'ont pas besoin d'être dans une direction spécifique ou dans la même direction qu'un détecteur.
Neuroimagerie fonctionnelle
L'utilisation de la fNIRS comme méthode de neuroimagerie fonctionnelle repose sur le principe du couplage neuro-vasculaire également connu sous le nom de réponse hémodynamique ou réponse dépendante du niveau d'oxygène dans le sang (BOLD). Ce principe constitue également le cœur des techniques d' IRMf . Grâce au couplage neuro-vasculaire, l'activité neuronale est liée à des modifications connexes du flux sanguin cérébral localisé. La fNIRS et la fMRI sont sensibles à des changements physiologiques similaires et sont souvent des méthodes comparatives. Des études portant sur l'IRMf et la fNIRS montrent des résultats fortement corrélés dans les tâches cognitives. La fNIRS présente plusieurs avantages en termes de coût et de portabilité par rapport à l'IRMf, mais ne peut pas être utilisée pour mesurer l'activité corticale à plus de 4 cm de profondeur en raison des limitations de la puissance de l'émetteur de lumière et a une résolution spatiale plus limitée. La fNIRS inclut l'utilisation de la tomographie optique diffuse (DOT/NIRDOT) à des fins fonctionnelles. Le multiplexage des canaux fNIRS peut permettre des cartes fonctionnelles topographiques 2D de l'activité cérébrale (par exemple avec Hitachi ETG-4000, Artinis Oxymon, NIRx NIRScout, etc.) tout en utilisant plusieurs espacements d'émetteurs peut être utilisé pour créer des cartes tomographiques 3D .
Hyperbalayage
L'hyperbalayage implique deux cerveaux ou plus surveillés simultanément pour étudier les corrélats neuronaux interpersonnels (entre cerveaux) dans diverses situations sociales, ce qui prouve que le fNIRS est une modalité appropriée pour étudier les interactions sociales en direct de cerveau à cerveau.
La musique et le cerveau
fNIRS peut être utilisé pour surveiller l'activité cérébrale des musiciens tout en jouant des instruments de musique.
Avantages et inconvénients
Les avantages de la fNIRS sont, entre autres : le caractère non invasif, des modalités peu coûteuses, une sécurité parfaite, une résolution temporelle élevée, une compatibilité totale avec d'autres modalités d'imagerie et de multiples biomarqueurs hémodynamiques.
Cependant, aucun système n'est sans limites. Pour le fNIRS, ceux-ci incluent : une faible sensibilité cérébrale, une faible résolution spatiale et une faible profondeur de pénétration.
Directions futures
Malgré quelques limitations, les appareils fNIRS sont relativement petits, légers, portables et portables. Grâce à ces fonctionnalités, les applications pour les appareils sont étonnantes, ce qui les rend facilement accessibles dans de nombreux scénarios différents. Par exemple, ils ont le potentiel d'être utilisés dans des cliniques, une situation sanitaire mondiale, un environnement naturel et en tant que suivi de la santé.
En fin de compte, les futures personnes à risque dans les hôpitaux pourraient bénéficier du neuromonitoring et de la neuroréadaptation que le fNIRS peut offrir.
Il existe maintenant sur le marché des systèmes fNIRS de qualité recherche entièrement sans fil.
fNIRS Par rapport à d'autres techniques de neuroimagerie
Comparer et contraster d'autres appareils de neuroimagerie est une chose importante à prendre en considération. Lors de la comparaison et de l'opposition de ces appareils, il est important d'examiner la résolution temporelle, la résolution spatiale et le degré d'immobilité. L'EEG (électroencéphalographe) et le MEG (magnétoencéphalographie) ont une haute résolution temporelle, mais une faible résolution spatiale. L'EEG a également un degré de mobilité plus élevé que le MEG. En regardant fNIRS, ils sont similaires à un EEG. Ils ont un degré élevé de mobilité ainsi qu'une résolution temporelle, et ils ont une faible résolution spatiale. Les scanners TEP et les IRMf sont regroupés, mais ils sont nettement différents des autres scanners de neuro-imagerie. Ils ont un degré élevé d'immobilité, une résolution spatiale moyenne/élevée et une faible résolution temporelle. Toutes ces analyses de neuroimagerie ont des caractéristiques importantes et sont précieuses, mais elles ont des caractéristiques distinctes.
Parmi tous les autres faits, ce qui fait du fNIRS un point d'intérêt particulier, c'est qu'il est compatible avec certaines de ces modalités, notamment : IRM, EEG et MEG.
Voir également
- Spectroscopie infrarouge proche
- Tomographie optique diffuse
- Neuroimagerie fonctionnelle
- Neuroscience cognitive
- La Society for Functional Near Infrared Society (lien externe)
- fNIRS mondial (lien externe)
- Soterix Medical fNIRS
Les références
- ^ "NIRS / fNIRS" . Cortech Solutions, Inc . Récupéré le 2019-11-26 .
- ^ "HOMER2" . HOMER2 . Récupéré le 2019-11-26 .
- ^ Aasted, Christopher M.; Yucel, Meryem A.; Cooper, Robert J.; Dubb, Jay ; Tsuzuki, Daisuke ; Becerra, Lino; Petkov, Mike P.; Borsook, David; Dan, Ippeita; Boas, David A. (avril 2015). « Guidage anatomique pour la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle : tutoriel AtlasViewer » . Neurophotonique . 2 (2) : 020801. doi : 10.1117/1.NPh.2.2.020801 . ISSN 2329-423X . PMC 4478785 . PMID 26157991 .